CN102664233A

CN102664233A - 压电驱动器及其制作方法

Info

Publication number: CN102664233A
Application number: CN2012101390246A
Authority: CN
Inventors: 董蜀湘; 陈建国
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2012-09-12

Abstract

本发明提供一种压电驱动器及其制作方法。该压电驱动器包括圆环形结构的压电板，所述压电板的上表面设置有上电极，所述压电板的下表面设置有下电极，且所述压电板沿径向方向极化。本发明实施例提供的压电驱动器采用单个圆环形结构的压电板，结构简单，制作方便，可适用于高低温等苛刻环境下的工作需要。

Description

压电驱动器及其制作方法

技术领域

本发明涉及压电驱动器技术，尤其涉及一种圆环形压电驱动器及其制作方法。

背景技术

基于逆压电效应的压电驱动器具有尺寸小、线性好、控制方便、位移分辨率高、频率响应好、能耗低、无噪声、不受电磁干扰等特点，是一种理想的微位移新型固态执行器，非常适用于精确定位、小负载、大转矩、高精度的机械装置，特别是在激光通讯、生物工程、纳米加工、自动控制、机器人等高新技术领域，发挥着越来越重要的作用。同时，随着航空航天、石油化工、地质勘探、核能发电、汽车制造工业的迅速发展，压电驱动器在这些领域的应用需求也越来越多，但是，这些领域通常具有高低温等苛刻的环境，因此，可在极端苛刻环境下稳定工作的高性能压电驱动器的需求越来越多。

通常，压电驱动器按驱动方式不同，可分为刚性位移驱动器和谐振位移驱动器，而刚性位移驱动器包括多层式驱动器、单（双）晶片驱动器、彩虹式（Rainbow）驱动器、月牙式（Moonie）驱动器和钹式（Cymbals）驱动器等。其中，多层式驱动器是将多个压电陶瓷片通过有机粘结剂粘接或低温共烧等方法制成，具有承载力大、响应速度快、位移重复性好、体积效率高、驱动控制相对简单等优点，但是其位移量较小、电容量高。压电双晶片驱动器的典型结构是由两个长条压电晶片中间夹一金属薄片，并通过环氧树脂有机粘结剂粘接而成为一体的结构，这种结构的驱动器能够产生几十个微米到几个毫米的形变量，然而其自由端仅能承受较小的应力。

综上，现有压电驱动器为多层复合结构，而非一体成型的结构，使得压电驱动器结构和制作工艺复杂，产品质量不易保证；同时，由于多层复合结构的压电驱动器中，通常有粘结剂粘结而成，当压电驱动器在高低温苛刻环境下工作时，易出现高温软化、低温断裂等不良反应，导致粘结剂失效，进一步导致压电驱动器工作性能下降、影响压电驱动器的正常使用；此外，多层复合结构的压电驱动器中，各个部分的热膨胀系数并不相同，这样压电驱动器在高低温苛刻环境下工作时，会因各部分热膨胀系统不同而引起应力集中，同样会降低压电驱动器的性能、影响压电驱动器的正常使用。

发明内容

本发明提供一种压电驱动器及其制作方法，可有效克服现有多层复合结构压电驱动器存在的结构复杂，在高低温环境下容易出现工作性能下降的问题，可有效简化压电驱动器的结构，可适用于高低温环境下的工作需要。

本发明提供一种压电驱动器，包括：

圆环形结构的压电板，所述压电板的上表面设置有上电极，所述压电板的下表面设置有下电极，且所述压电板沿径向方向极化。

本发明提供一种压电驱动器的制作方法，包括：

将压电材料制备成圆环形结构的压电板；

在所述压电板的内壁和外壁上分别设置电极，并对所述压电板进行极化，使得所述压电板沿径向方向极化；

在极化后的所述压电板的上表面设置上电极，在所述压电板的下表面设置下电极。

本发明提供的压电驱动器及其制作方法，通过采用独立的圆环形压电板，使得压电驱动器的结构简单，制作工艺简单，产品质量容易保证；本实施例压电驱动器也可有效避免传统复合结构压电驱动器中由于需要用有机粘结剂粘接而不能承受极端苛刻环境的固有缺陷，提高了压电驱动器的机电转换效率，且也可避免传统压电驱动器结构中因各部分热膨胀系数不一致而引起的应力集中问题，可有效确保压电驱动器在高低温苛刻环境下工作时的工作性能，提高压电驱动器工作的稳定性和可靠性。本实施例压电驱动器尺寸设计灵活，可根据需要制作合适尺寸的压电驱动器，且可适用于更高温度范围的工作场景下，具有较高的环境适应能力。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的压电驱动器的主视图；

图2为图1中压电驱动器的俯视图；

图3为根据本发明实施实例提供的压电驱动器所测得的电压-微位移曲线图；

图4为本发明实施例提供的压电驱动器工作时的变形示意图；

图5为本发明实施例二提供的压电驱动器的制作方法流程示意图。

具体实施方式

鉴于现有压电驱动器存在的结构复杂的问题，本发明提供一种结构简单，制作方便的压电驱动器，该压电驱动器为圆环形结构。下面将以具体实例对本发明技术方案做详细的说明。

图1为本发明实施例一提供的压电驱动器的主视图；图2为图1中压电驱动器的俯视图。如图1和图2所示，本实施例压电驱动器包括压电板1，该压电板1为圆环形结构，该圆环形结构的压电板1的内径和外径的比例小于或等于0.9；该压电板1沿径向方向极化，具体地，如图2所示，极化方向为从外到内的径向方向极化，或从内到外的径向方向极化；图2所示的箭头方向为极化方向；该压电板1的上表面11上设置有上电极111，下表面12上设置有下电极121。本实施例提供的压电驱动器为单个圆环形压电板结构，结构简单，可在施加在上下电极上的驱动电压作用下，在压电板的中心部分产生上下位移运动。

本实施例中，压电板为圆环形结构，且极化方向为径向方向，这样，在圆环形结构的压电板的上下表面施加激励电压后，上下表面就会产生方向相反的伸张或收缩变形，即上表面沿径向方向伸张时，下表面就会沿径向方向收缩，这样，压电板整体就会在该两个相反方向的变形作用下，迫使其中心部分产生垂直于压电板表面的较大位移运动，从而实现压电驱动器的直线运动。

本实施例中，压电板结构简单，实现方便，可便于压电驱动器的制作；且制作压电板的材料可为任何具有压电效应的材料，例如锆钛酸铅压电材料、无铅压电材料（如钛酸钡、铌酸钾钠等）、铋系高居里点（如钛酸铋钠）压电材料，或者高性能压电单晶(如铌镁酸铅-钛酸铅、铌锌酸铅-钛酸铅等)材料。实际应用中，可根据需要选择合适的压电材料，对此本实施例并不做特别限制。

图3为根据本发明实施实例提供的压电驱动器所测得的电压-微位移曲线图；图4为本发明实施例提供的压电驱动器工作时的变形示意图。如图3所示，其中横坐标表示电场强度，纵坐标表示微位移，可以看出，在相同的测试电场强度下，随着温度升高，本实施例提供的圆环形压电驱动器位移增大，且能够在200℃下稳定工作；如图4所示，当在压电驱动器的上下电极施加激励电压时，就会在压电板的中部产生沿垂直方向运动的位移运动，其中A表示压电驱动器未变形前的形状，B表示压电驱动器发生变形后的形状。通过实际测量和实验，可以确定，本实施例压电驱动器可工作在高温等苛刻环境下，从而可满足航空航天、石油化工、地质勘探、核能发电、汽车制造工业等技术领域中。

综上，本发明实施例提供的压电驱动器，为一个独立的圆环形压电元件，结构简单，制作工艺简单，产品质量容易保证；本实施例压电驱动器也可有效避免传统复合结构压电驱动器中由于需要用环氧树脂有机粘结剂粘接而不能承受极端苛刻环境的固有缺陷，提高了压电驱动器的机电转换效率，且也可避免传统压电驱动器结构中因各部分热膨胀系数不一致而引起的应力集中问题，可有效确保压电驱动器在高低温苛刻环境下工作时的工作性能，提高压电驱动器工作的稳定性和可靠性。本实施例压电驱动器尺寸设计灵活，可根据需要制作合适尺寸的压电驱动器，且可适用于更高温度范围的工作场景下，具有较高的环境适应能力。

图5为本发明实施例二提供的压电驱动器的制作方法流程示意图。如图5所示，本实施例压电驱动器制作方法可包括如下步骤：

步骤101、将压电材料制备成圆环形结构的压电板；

步骤102、在压电板的内壁和外壁上分别设置电极，并对压电板进行极化，使得压电板沿径向方向极化；

步骤103、在极化后的压电板的上表面设置上电极，在压电板的下表面设置下电极。

本实施例中，可将压电材料直接制成圆环形结构，并在圆环结构的内壁和外壁上设置电极，并利用该两个电极在高温下对压电板进行高电压极化，使得压电板的极化方向为沿压电板的径向方向，其具体极化处理方式与传统压电驱动器极化方式类似，在此不再赘述。

本实施例中，在压电板的内壁和外壁，以及上下表面设置的电极均为银电极，且压电板的内壁和外壁上的银电极可通过焙烧的方式制备得到，压电板的上下表面的银电极可通过溅射或化学电镀的方式制备得到。

本实施例中，对压电板进行高温极化时，极化温度可为400~500℃，电场强度为1~5kV/cm，极化时间为15~30分钟，这样，可沿圆环形压电板的径向方向对压电板进行极化，具体的极化方向可参见图2中的箭头所示方向。

本实施例中，在对压电板进行极化后，可利用砂纸打磨掉圆环形结构压电板的内壁和外壁上的银电极，并对压电板进行超声清洗、烘干等流程后，再在压电板的上下表面制备电极。

为便于对本发明实施例有更好地了解，下面对本发明实施例对采用压电陶瓷材料和压电单晶材料制备压电驱动器的具体应用进行说明。

（1）采用压电陶瓷材料

采用压电陶瓷材料制备压电驱动器时，可包括以下步骤：

步骤201、采用固相反应法制备压电陶瓷粉末；

本实施例中，采用钪酸铋-钛酸铅固溶体材料，且该钪酸铋-钛酸铅固溶体的化学式为(1-x)BiScO₃-xPbTiO₃，其中：0.2≤x<1，优选地本实施例x取值为0.36。在制备压电陶瓷粉末时，可根据钪酸铋-钛酸铅固溶体的化学式，按照化学计量比配置得到所需的压电陶瓷粉末。

步骤202、将上述的压电陶瓷粉末，即钪酸铋-钛酸铅固溶体粉末取出，加入3%~5%的聚乙烯醇粘结剂，充分混合，造粒并过80目筛后，取出适量粉末放入模具中，在100~200MPa的压力下成型，得到所需要尺寸的圆形素坯，即压电圆环片；

步骤203、将上述圆形素坯先烧除掉其中含有的粘结剂有机物，同时使素坯具有一定的机械强度；

步骤204、在圆形素坯的几何中心处打孔，形成圆环形结构的压电板，该圆环形压电板的内、外径的比例为小于或等于0.9；

上述步骤202-204中，也可通过模具直接制备所需要尺寸的圆环形结构的压电板；

步骤205、在900~1200℃温度范围内进行烧结，得到致密、均一的圆环形压电板；

步骤206、在圆环形压电板的内壁和外壁上焙烧银电极，之后对其进行高温极化，极化温度为400~500℃，电场强度为1~5kV/cm，极化时间为15~30分钟；

步骤207、用砂纸打磨掉圆环形压电板的内壁和外壁的银电极，经超声清洗、烘干等流程后在驱动器上下表面通过溅射或化学电镀等方法制备银电极。

（2）采用压电单晶材料

采用压电单晶材料制备压电驱动器时，可包括以下步骤：

步骤301、通过线切割将压电单晶切割成结晶取向一致的压电单晶板材。

本实施例中，可根据需要，通过线切割工艺，将压电单晶切割成具有一定结晶取向的压电单晶板材。

步骤302、通过超声或激光切割，将压电单晶板材的几何外形变为圆环形结构的压电板，该圆环形结构的压电板的内外径的比例小于或等于0.9；

步骤303、在该圆环形结构的压电板的内壁和外壁上焙烧银电极，之后可在室温至居里温度范围内对其进行高电压极化；

步骤304、用砂纸打磨掉圆环形结构的压电板的内壁和外壁的银电极，并经过超声清洗、烘干等流程后，在压电板的上下表面通过溅射或化学电镀等方法制备银电极。

本领域普通技术人员可以理解，当采用其他材料制备本实施例的压电驱动器时，可具有相同或类似的制作过程，对此本实施例并不做特别限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种压电驱动器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电板为由压电陶瓷材料制备得到的压电板。

3.根据权利要求1所述的压电驱动器，其特征在于，所述压电板为由压电单晶材料制备得到的压电板。

4.一种压电驱动器的制作方法，其特征在于，包括：

将压电材料制备成圆环形结构的压电板；

5.根据权利要求4所述的压电驱动器制作方法，其特征在于，所述压电材料为压电陶瓷材料；

所述将压电材料制备成圆环形结构的压电板包括：

利用固相反应法制备压电陶瓷固溶体粉末，并进行造粒，压片压制得到压电圆环片，得到圆环形结构的压电板，或者，先压制得到压电圆片，再在所述压电圆片的几何中心处打孔，形成圆环形结构的压电板；

在900～1200℃温度范围对所述圆环形结构的压电板进行烧结。

6.根据权利要求4所述的压电驱动器的制作方法，其特征在于，所述压电材料为压电单晶；

所述将压电材料制备成圆环形结构的压电板包括：

通过线切割将压电单晶切割成结晶取向一致的压电单晶板材；

通过超声或激光切割，将所述压电单晶板材的几何外形变为圆环形结构的压电板。

7.根据权利要求4或5或6所述的压电驱动器的制作方法，其特征在于，所述在极化后的所述压电板的上表面设置上电极，在所述压电板的下表面设置下电极之前还包括：

利用砂纸打磨掉所述压电板的内壁和外壁上的电极。